Les oscillations quantiques des atomes contiennent un certain ensemble d'informations. Et si les scientifiques pouvaient effectuer des mesures précises de ces oscillations et tracer leurs changements dans le temps, ils pourraient alors améliorer la précision de l'horloge atomique d'au moins 15 fois, ainsi qu'améliorer la précision des capteurs quantiques des systèmes d'atomes dont les oscillations peuvent indiquer la présence de matière noire, d'ondes gravitationnelles, ou encore de phénomènes nouveaux, inattendus, dont on ne sait encore rien.
Le principal obstacle à la mesure des vibrations les plus fines, qui s'oppose aux scientifiques, est le "bruit" de notre monde, qui obstrue ces vibrations atomiques. Ainsi, les scientifiques du Massachusetts Institute of Technology ont réussi à amplifier de manière significative les changements quantiques des vibrations atomiques en envoyant des particules à travers deux processus clés : l'intrication quantique et l'inversion du temps.
Les physiciens du MIT ont manipulé des atomes intriqués quantiques de telle manière que les particules se sont comportées comme si elles reculaient dans le temps. Au fur et à mesure que les chercheurs rembobinaient efficacement la bande de vibrations atomiques, tout changement dans ces vibrations était amplifié de telle manière qu'il pouvait être facilement mesuré. La méthode a été nommée SATIN.
Pour leur nouvelle étude, l'équipe a étudié 400 atomes ultrafroids d'ytterbium, l'un des deux types d'atomes utilisés dans les horloges atomiques modernes. Ils ont refroidi les atomes juste au-dessus du zéro absolu, des températures auxquelles la plupart des effets classiques tels que la chaleur disparaissent et le comportement des atomes est déterminé uniquement par des effets quantiques.
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L'équipe a utilisé un système de lasers pour piéger les atomes, puis a envoyé de la lumière avec un « enchevêtrement » teinté de bleu qui a fait osciller les atomes dans un état corrélé. Ils ont permis aux atomes intriqués d'évoluer dans le temps, puis les ont exposés à un petit champ magnétique, qui a provoqué un petit changement quantique, décalant légèrement les vibrations collectives des atomes.
Un tel déplacement serait impossible à détecter avec les outils de mesure existants. Au lieu de cela, l'équipe a appliqué l'inversion du temps pour amplifier ce signal quantique. Pour ce faire, ils ont utilisé un autre laser avec une teinte rouge, qui stimulait le démêlage des atomes, comme s'ils évoluaient en sens inverse dans le temps. Ils ont ensuite mesuré les oscillations des particules lorsqu'elles revenaient à leur état intriqué et ont constaté que leur phase finale était nettement différente de leur phase initiale - preuve claire qu'un changement quantique s'était produit quelque part dans leur évolution vers l'avant.
L'équipe a répété cette expérience des milliers de fois avec des nuages de 50 à 400 atomes, en observant à chaque fois l'amplification attendue du signal quantique. Cela a confirmé les résultats des premières expériences. Cette méthode rendrait l'horloge atomique si précise qu'au cours de la durée de vie de l'univers, elle aurait moins de 20 millisecondes de retard sur l'heure actuelle de l'univers.
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